Hallo Freunde,
ich möchte auf einem möglichst kleinen Raum (sagen wir in einem zylindrischen Volumen mit etwa 10 mm Länge und 6 mm Durchmesser)
mit möglichst einfachen Mitteln ein möglichst starkes Magnetfeld erzielen.
Dazu hätte ich einige Fragen vorab:
1. Wie wäre eine Spule dimensioniert, wenn sie die "Stärke" eines Neodym-Magneten erreichen soll.
2. Kann man die Stärke von Neodymmagneten erhöhen, indem man sie stapelt.
3. Gibt es noch bessere Möglichkeiten?
Danke für Hinweise
Reinhard
Hallo Reinhard,
dickere Neodymmagnete sind stärker als dünne, das verläuft aber nicht linear. Wenn der Magnet dicker wird als sein Durchmesser ist bald die Grenze der Steigerung erreicht.
Wenn Du ein vergleichbares Magnetfeld mit Elektromagnet erreichen willst muss der Kern aus gutem ferromagnetischem Material bestehen, dann erhält man ein ähnliches oder sogar ein etwas stärkeres Magnetfeld, bei gleicher Größe des Kerns wie der Neodymmagnet. Gute Magnetmaterialien erreichen ähnliche Sättigungsflussdichten.
Stärker geht es nur mit supraleitenden Spulen.
Hubert
Ein Eisenkern wird bei etwa 1,7 Tesla gesättigt, stärker geht mit Kern nicht.
Ohne Eisenkern kann man stärkere Magnetfelder erzeugen, maßgebend ist die Ampere-Windungszahl. Eine gute Übersicht bietet Wikipedia:
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnet (https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnet)
Gruß - Werner
Hallo Reinhard,
Eine nicht triviale Frage: beschäftige mich gerade mit dem Thema.
Ganz wichtig ist der Spalt zwischen Magneten ( Neodym )und zu magnetisierenden Objekt, Da geht die Energie schnell
aus. Bei kontakt (Spalt etwa 60µm) kannst Du die vom Verkauf angegebene Halte-Kraft in Newton
so in Flussdichte B (in Tesla) umrechnen:
B=√(F/(s*2*µ0))
z.B : Halte-Kraft 760N
Spalt 60µm B ca. 2,4 T ( vorausgesetzt das Material hat eine höheres µr als Eisen )
Spalt 3 mm B ca. 51 mT
Bei Elektrospulen mit 1000 Windungen und 4 Ampere bekommst du bei 3 mm Spalt ( fast geschlossener U-Kern ) ca. 1,3 Tesla hin.
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257598_43527150.jpg) (https://www.pic-upload.de)
Gruß
Jürgen
Sieh mal hier:
https://www.supermagnete.de/faq/Wie-kann-ich-ein-moeglichst-homogenes-Magnetfeld-erzeugen
und genauer:
https://tu-freiberg.de/sites/default/files/media/institut-fuer-elektrotechnik-12774/UBeckert_Scr/berechnung_magnet_kreise_mit_pm.pdf
Generell ist es eine gute Idee, einen Ringmagneten , wie oben vorgeschlagen, zu verwenden.
@hugojun: Ich habe etwas Zweifel, dass das Feld sich so stark mit der Grösse des Spalts zwischen 2 Magneten ändern sollte. Solange der Spalt kleiner ist, als der Querschnitt des Magnets, sollte die Flussdichte B nahezu unabhängig von der Grösse des Spalts und zwar gleich der Flussdichte innerhalb der Magneten sein.
Die Kraft zwischen Magneten fällt erst dann stark ab, wenn die Spaltgrösse nicht mehr klein gegenüber den Dimensionen des Magnets ist.
Gruss
Florian
Hallo Physiker,
vielen Dank für Eure wichtigen Informationen, die mich vor sinnlosen Versuchen bewahren.
Um das Ganze etwas zu präzisieren: Ich baue gerade Hubert's (lupus) Mikrowaage
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=29076.0
(reversibel) zu einer "Mikrogouy-Waage" um und möchte damit an möglichst kleinen Substanzmengen (relative) paramagnetische Auswirkungen messen.
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257601_56200037.jpg) (https://www.directupload.net)
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257601_36038289.jpg) (https://www.directupload.net)
Auf den Bildern sieht man allererste Versuche zur Orientierung. Am Waagebalken hängt ein Stück eines Schmelzpunktröhrchens mit 2-3 mg CoSO4. Mithilfe eines Mikromanipulators (vorne) schiebe ich (voreingestellt) einen Neodymmagneten unter die Probe und sehe dann im Ablesemikroskop einen deutlichen Ausschlag des Balkens.
Wegen der Enge unterhalb des Aufhängepunktes ist das Ganze noch etwas holprig.
Ich denke, ich werde mir zwei runde Neodymmagnete von 5-8mm Durchmesser beschaffen und diese kombiniert unter die Probe bringen.
Viele Grüße
Reinhard
Nachtrag:
wie oft, ist auch hier "Mr. Cunningham" mein Ideengeber gewesen.
Auch er war als Mikrochemiker darauf angewiesen, daß die Physiker des "MetLab" ihm immer schöne
"devices" gebastelt haben. :) :)
Ich versuche, seinen Vorsprung etwas zu verringern, indem ich die ihm wahrscheinlich noch nicht zur Verfügung stehenden
Neodyme zum Einsatz bringe. ;)
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257604_55909147.jpg) (https://www.directupload.net)
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257604_33420276.jpg) (https://www.directupload.net)
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257604_32347029.jpg) (https://www.directupload.net)
Reinhard
Hallo Reinhard,
bei einer Gouy Waage sollte man ein möglichst homogenes Feld zwischen 2 Polschuhen haben das Ausserhalb möglichst schnell auf 0 abfällt. Ausserdem sollten die Polschuhe gross genug sein, dass das ganze Röhrchen hineinpasst. Letztendlich bestimmst Du ja bei gegebener Auslenkung wieviel der Substanz innerhalb des Magnetfeldes und wieviel Ausserhalb ist. Ich würde daher mit 2 eher flachen Magneten experimentieren (z. B. Würfel) und diese mit nichtmagnetischem Material auf Abstand halten, so dass du einen definierten Spalt hast.
Sehe gerade, dass Cunningham anscheinend mit einer Waage arbeitet, die ein inhomogenes Feld verwendet.
Gruss
Florian
Hallo Physiker,
wären in meinem Falle evtl. Neodymmagneten mit zentraler Bohrung zu bevorzugen?
Gruß
Reinhard
Hallo,
diese Messungen werden bei sehr kleinen Probenmengen in einem stark inhomogenen Feld gemacht. Die Kraft auf ein magnetisches Moment ist proportional dem Gradienten des Magnetfeldes.
Hubert
So wird das aber nichts!
Wichtiger als der Magnet ist in diesem Falle der "dreikantige" Polschuh für ein inhomogenes Feld (wie in der Skizze von Cunningham). Im homogenen Feld wird kein Drehmoment auf die Probe ausgeübt. Andere Sizzen kann man oft auch im (größeren) Physikbuch sehen.
Gruß - Werner
Hallo Reinhard,
der Vortteil eines Elektromagneten wäre sicherlich das erschüzterungsfreie Einschalten des Magnetfeldes.
Ich würde es einmal mit zwei Würfelmagneten testen, deren (Gegen-)Polflächen V-förmig geneigt gegenüber stehen.
Hubert
Dieser Herrsteller
http://www.islikermagnete.ch/download/prospekt/7_01_1_GT-25.pdf
macht Angaben über die Abnahme der Halte-Kraft
Bei 0,1mm ist es bereits nur noch 42%, bei 0,5 mm nur noch 3%.
Im Prinzip stehen sich in meinem Hufeisen ja am Spalt die Pole gegenüber, wie bei zwei separaten
Neodym-Magneten in gegenläufiger Anordnung
@ Florian D:
Ich habe das B-Feld an meinem Aufbau gemessen, die Berechnungen sind auf 1mT genau.
Jürgen
Die magnetische Suszeptibilität wird bei elektronischen Messgeräten mit B-Feldern kleiner 10mT
gemessen, um die Paleo Remanenz nicht zu zerstören.
Da
B = χ•H
kommt es nur auf die Empfindlichkeit der Messapparatur an um das erzeigte B-Feld zu berechnen .
Paramagnetisch Stoffe haben keine Sättigung in diesen Bereichen ( liegt bei> 5T ), darum ist auch kein besonders starkes , dafür aber homogenes Feld notwendig.
Jürgen
Zitat von: hugojun in Oktober 08, 2019, 13:27:29 NACHMITTAGS
Dieser Herrsteller
http://www.islikermagnete.ch/download/prospekt/7_01_1_GT-25.pdf
macht Angaben über die Abnahme der Halte-Kraft
Bei 0,1mm ist es bereits nur noch 42%, bei 0,5 mm nur noch 3%.
Im Prinzip stehen sich in meinem Hufeisen ja am Spalt die Pole gegenüber, wie bei zwei separaten
Neodym-Magneten in gegenläufiger Anordnung
@ Florian D:
Ich habe das B-Feld an meinem Aufbau gemessen, die Berechnungen sind auf 1mT genau.
Jürgen
Hallo Jürgen,
verstehe, ich glaube, wir reden da aber von verschiedenen Dingen. Bei Elektromagneten nimmt die Haltekraft tatsächlich sehr schnell mit der Spaltgrösse ab, weil der magnetische Widerstand zunimmt und damit bei konstanter Stromstärke die Flussdichte abnimmt. Bei einem Permanentmagneten ist die Flussdichte aber unabhängig von der Spaltbreite fast konstant. Damit nimmt auch die Haltekraft langsamer ab.
Viele Grüsse
Florian
@ FlorianD.
Ja ,besser als Spule mit Eisenkern , aber " fast konstant " halte ich für übertrieben:
https://www.ibsmagnet.de/knowledge/flussdichte_berechnung.php?f=rd
Grüße
Jürgen
Hallo Jürgen,
der Magnet ist sehr kurz. Wenn ich zwei lange Rundmagnete mit 1 cm Durchmesser mit Spalt aufstelle, finde ich in der Mitte des Spalts bei 1 mm Spaltbreite 90%, bei 2 mm 80%, bei 5 mm 55%, und bei 1cm immerhin noch 29 % von Br.
Viele Grüsse
Florian
Hallo Florian
OK , Ich habe die Excel – Berechnung hier gefunden:
https://www.ibsmagnet.de/knowledge/flussdichte.php
Wenn ich es richtig interpretiere, ist bei Durchmesser ~= Länge Feierabend.
Deshalb hat der Hersteller auch keine anderen Maße.
Hilft da stapeln , wie Reinhard Eingangs gefragt hat??
Nach der Formel:
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257674_48132822.jpg) (https://www.pic-upload.de)
Und der Anordnung:
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257674_30542218.jpg) (https://www.pic-upload.de)
Kann ich die errechnete Feldstärke vervierfachen??
Gruß
Jürgen
Ja, von diesen Formeln bin ich auch ausgegangen. Wenn L>>X, dann wird der erste Term in der Klammer =1 (Ein bisschen länger als dick sollten sie jedoch schon sein).
Das Eisenjoch verdoppelt die Effektive Länge der Magnete. Man kann die Länge der Magnete natürlich auch erhöhen, indem man Magnete stapelt. Es gibt viele Stabmagnete die 5-10 mal so lang sind, wie breit. Das reicht aus.
Dann gilt für die gezeigte Anordnung (mit Br statt Br/2)
Bx(x)=Br (1-x/R * (1+x^2/R^2)^(-1/2))
ist x<R, dann nimmt Bx näherungsweise Linear mit x ab:
Bx(x) ~ Br(1-x/R)
So richtig relevant ist das für Reinhard auch noch nicht. Idealerweise braucht er ja ein Magnetfeld dessen Gradient möglichst gross ist und über die Länge seiner Probe möglichst linear verläuft. Da müsste man die Polschuhe jetzt optimieren.
Hallo zusammen,
Ich habe die Versuchsanordnung noch einmal geändert, da die stärker werdenden Magnete (Doppelpack, siehe Bild) zunehmend zu Problemen mit den Metallteilen der Hubert'schen Mikrowaage führten.
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257687_6444509.jpg) (https://www.directupload.net)
Es kommt nun das Kathetometer (vorne) zum Einsatz, das einst Frank D. aus ramponierten Einzelteilen wieder zum Leben erweckt hat. Man kann hiermit aus großer Entfernung sehr exakt
Höhenunterschiede (z.B. des Waagebalkens) auf 10 µm messen.
Der verstellbare "Fadenhalter" ist wieder provisorisch aus den bewährten Märklin-Teilen gebaut.
Das heisst, ich könnte jetzt größere Magnetkonstruktionen einsetzen. Es muß nur ein Röhrchen von 1,6mm zwischen die Pole passen. Die Füllhöhe wird bei 1-3 mm sein, also annähernd
"punktförmig", was ja wahrscheinlich für das Design des Magneten wichtig ist.
Also eher ein im Schnitt etwa quadratischer NeoDelta-Magnet nur unterhalb oder doch eine U-förmige Konstruktion mit beidseitigen engstehenden konischen Polen?
Danke für Vorschläge
Reinhard
Hallo Reinhard,
ich würde eher eine U-förmige Konstruktion, aber mit V-förmigen Polen verwenden, ähnlich wie Cunningham.
Auf das U kannst Du wohl verzichten, wenn die Magnete lang genug sind. Dann also einfach 2 Magnete so aufstellen: /\
so dass oben zwischen den beiden ein V-förmiger Schlitz entsteht. Das V sollte aber relativ flach sein. So würde ich das probieren. Je breiter die Magnete, desto gleichmässiger der Feldgradient über die Probe.
Gruss
Florian
Hallo Florian,
also zwei, sagen wir 50mm - 100mm lange Neodymquader mit 10mm quadratischem Querschnitt, schräg gegeneinander gestellt?
Gruss Reinhard
Ja, genau.
Hallo Reinhard,
die Anordnung der Magnete muss ein oben weites V sein, nicht nach unten. Dann zieht der Magnet paramagnetisches Material nach unten. Und 15-20 mm Breite reichen, keine 50-100 mm. Das würde bei der kleinen Probe keinen Sinn machen. Ich würde den Winkel der beiden gegenüber liegenden Polflächen etwa 40° machen und die beiden Rückseiten (Gegenpole) mit einem nach unten gebogenem Weicheisenblech (evtl. Blechbündel) verbinden.
Das Ganze ist aber nur ein Provisorium, bei der Messmethode sollte das Produkt H*dH/dz, also Feldstärke mal Feldstärkegradient über den relevanten von der Probe genutzten Volumenbereich konstant sein, sonst musst Du penibel die Probe oder die Referenzprobe bei jeder Messung auf die gleiche Position einjustieren! Daher verwendet man normalerweise eine speziell gekrümmte Magnetform (Kernform bei Elektromagneten). Zwei ebene Flächen können nur eine Näherung sein.
Ich kann Dir da eventuell eine Info zuschicken.
Hubert
Hallo Hubert,
das meinte ich auch; also die 10mm Quadrate sollen den Winkel bilden.
Ich bestelle mal was und probiere es aus.
Danke für alle Informationen!
Reinhard
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures010/257696_52243212.jpg) (https://www.directupload.net)
Hallo Reinhard,
ich würde unbedingt einen Würfel nehmen, der Magnet muss nicht tiefer als die aktive Polfläche breit und hoch ist sein. Rund ist schlecht, da wird der Rand in x-Richtung inhomogen.
Beispiel: Blau ist typische Kernform der Elektromagneten, grün sollen die beiden Magnetwürfel sein, rot die Probe. Die rückwärtige Verbindung der Magnete ist nicht eingezeichnet.
Hubert
warum nicht einen Stab mit quadratischem Querschnitt?
Da ist das Feld im Spalt deutlich höher als für Würfel.
Hallo,
ZitatDa ist das Feld im Spalt deutlich höher als für Würfel
was zu beweisen wäre, die Feldstärkezunahme ist doch ab Quadrat minimal. Außerdem wird das Feld durch die vorgeschlagene rückseitige Polverbindung mit Weicheisen verstärkt, und im Übrigen sind so lange Magnete bei dem engen Aufbau unhandlich.
Hubert
Hallo Hubert, hallo Florian,
kein Problem, dann besorge ich Würfel.
Frage: Welche Polung haben die Würfel "oben". und:
Wie kann man die dann ja doch sehr starken und widerspenstigen Würfel in der Position halten?
Mit einer Stahlkonstruktion wird das ja eher nicht möglich sein.
Danke für die Skizze!!
Reinhard
Zitat von: Lupus in Oktober 09, 2019, 18:21:45 NACHMITTAGS
ZitatDa ist das Feld im Spalt deutlich höher als für Würfel
was zu beweisen wäre, die Feldstärkezunahme ist doch ab Quadrat minimal. Außerdem wird das Feld durch die vorgeschlagene rückseitige Polverbindung mit Weicheisen verstärkt, und im Übrigen sind so lange Magnete bei dem engen Aufbau unhandlich.
Stimmt, habe ich gerade gecheckt. Wobei ich im Zweifelsfall lieber etwas längere Magnete nehmen würde, wenn der Platz knapp ist, statt noch ein Joch einzubauen.
Die Polschuhe kann man vielleicht aus Transformatorenblech ausschneiden?
Gruss
Florian
Hallo Reinhard,
das Feld wechselt am seitlichen Rand kontinuierlich vom einen Pol zum anderen.
Halten kann man die Magnete eigentlich sehr einfach: Indem man sie am rückwärtigen Pol an einer Eisenfläche haften lässt. ;) Und wenn das Eisen ein U-förmig gebogenes dickes Blech ist, die Schenkel etwa die z.B. 40° zueinander nach außen gebogen, dann haben die Würfel gleichzeitig die richtige Stellung. Ein 10 mm Würfel hat auf der einen Seite etwa 40 N Haftkraft am Eisen, während auf der anderen Seite die Würfel sich nicht flächig sondern geneigt und auch in mindestens mehreren mm Abstand an der engsten Stelle gegenüber stehen. Da fällt die Anziehungskraft deutlich unter 1/10 der Maximalkraft. Der Eisenbügel muss natürlich dick genug sein bzw. aus mehreren Lagen Blech bestehen. Und bei der Handhabung muss man halt immer Abstand einhalten, z.B. durch temporär fixierte Holzstückchen.
Hubert
Hallo Reinhard,
noch ein Vorschlag zur Magnethalterung:
Ein Stahlprofil aus dem Baumarkt, z.B. Quadrat 10x10 bis 15x15 mm oder U-Profil, an 2 Stellen aufgesägt und gebogen wie im Bild, eventuell an den Ecken verstärkt um die Magnetkräfte aufzunehmen.
Hubert
Hallo Hubert,
vielen Dank für die erneute Zeichnung!
Dann stelle ich hier allgemein einmal die Frage:
Wer würde sich metall- und zeittechnisch evtl. in der Lage sehen, gegen entsprechendes Honorar natürlich, eine solche "Höllenmaschine" zu bauen?
Als Magnete wohl Würfel mit 10 - 12mm Kantenlänge aus NeFeB !
Viele Grüße
Reinhard
Hallo Reinhard,
ich muss erst mal nachsehen, welches Material in meiner Werkstätte rumliegt. Ein erstes Experiment zum testen wäre kein Problem. Ich hätte außerdem noch eine Idee für einen ganz einfachen Aufbau mit optimaler Polform und erhöhter Feldstärke.
Näheres per PM
Hubert